TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015<br />
<br />
Mô phỏng nâng cao tính năng làm việc<br />
cho động cơ diesel 1 xi-lanh bằng thiết<br />
kế cải tiến họng nạp<br />
<br />
<br />
<br />
Võ Danh Toàn<br />
Huỳnh Thanh Công<br />
<br />
PTN Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong, Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG-HCM<br />
(Bài nhận ngày 13 tháng 7 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015)<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Bài báo này trình bày nghiên cứu cải<br />
tiến họng nạp cho động cơ diesel 1 xi-lanh<br />
RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp và nâng<br />
cao tính năng làm việc thông qua mô hình<br />
hóa và mô phỏng trên phần mềm chuyên<br />
dụng AVL BOOST. Các phương án cải tiến<br />
được đề xuất và đánh giá so với mô hình<br />
họng nạp hiện hữu. Điều kiện mô phỏng ban<br />
đầu được dựa trên kết cấu của động cơ và<br />
<br />
thông số điều kiện vận hành từ thực nghiệm.<br />
Các thông số về đặc tính công suất, sự cháy<br />
và khí thải được lựa chọn làm tiêu chuẩn<br />
đánh giá. Kết quả nghiên cứu thể hiện rằng,<br />
bằng phương án cải tiến họng nạp đã tăng<br />
hiệu suất nạp, khả năng hòa trộn hỗn hợp<br />
nhiên liệu và không khí, giúp quá trình cháy<br />
tốt hơn, tăng công suất động cơ, giảm suất<br />
tiêu hao nhiên liệu và khí thải.<br />
<br />
Từ khóa: hiệu suất nạp, họng nạp, động cơ diesel, mô phỏng, AVL BOOST.<br />
1. GIỚI THIỆU CHUNG<br />
Hiện nay, nhu cầu sử dụng động cơ cỡ nhỏ<br />
có công suất tương đối dùng trong nông nghiệp<br />
Việt Nam là rất lớn. Các công ty sản xuất động<br />
cơ trong nước đã cho ra nhiều loại động cơ thế hệ<br />
mới có công suất mạnh, nhỏ gọn, hiện đại, kiểu<br />
dáng đẹp nhằm cạnh tranh với các công ty nước<br />
ngoài. Bên cạnh đó, những nghiên cứu trong<br />
những năm gần đây cũng đã tập trung cải tiến,<br />
ứng dụng nhiều phương pháp [1, 2, 3] nhằm tối<br />
ưu đặc tính động cơ như nâng cao hiệu suất, công<br />
suất để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra của<br />
người sử dụng. Trong đó, loại động cơ diesel 1<br />
xi-lanh RV165-2 với công suất 16,5 mã lực được<br />
đưa ra thị trường và được người sử dụng đánh giá<br />
cao. Các thông số kỹ thuật như sau:<br />
<br />
Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ RV165-2<br />
Đường kính xi-lanh (mm)<br />
<br />
105<br />
<br />
Hành trình piston (mm)<br />
<br />
97<br />
<br />
Thể tích xi-lanh (cm3)<br />
<br />
839<br />
<br />
Công suất tối đa (HP/v/ph)<br />
<br />
16,5/2400<br />
<br />
Moment cực đại<br />
<br />
4,9/1800<br />
<br />
Tỉ số nén<br />
<br />
20<br />
<br />
Suất tiêu thụ nhiên liệu<br />
(g/HP/h)<br />
<br />
175<br />
<br />
Tuy nhiên, do những hạn chế về khả năng<br />
công nghệ tại Việt Nam hiện nay, qua quá trình<br />
sử dụng nhận thấy động cơ có hiệu suất nạp chưa<br />
cao, dẫn đến chưa đạt được những tính năng tốt<br />
nhất, mức tiêu hao nhiên liệu cao.<br />
Có nhiều phương án cải tiến cho động cơ như:<br />
Trang 31<br />
<br />
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Thay đổi tỉ số nén<br />
Thay đổi hành trình piston<br />
Tối ưu họng nạp<br />
<br />
2.1.2. Ảnh hưởng của hình dạng họng nạp đến<br />
dòng khí nạp vào động cơ<br />
2.1.2.1. Hệ số lưu lượng<br />
<br />
Trong đó, phương án tối ưu họng nạp tăng<br />
được hiệu suất nạp, nhiên liệu cháy sạch hơn,<br />
tăng công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu<br />
[4]. Đã có những nghiên cứu trước đây sử dụng<br />
phương pháp mô phỏng [5, 6, 7] tương đối đơn<br />
giản, tính khả thi trong nghiên cứu và tiết kiệm<br />
chi phí.<br />
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT<br />
2.1. Hiệu suất nạp<br />
2.1.1. Ảnh hưởng của hiệu suất nạp đến công<br />
suất<br />
<br />
Hệ số lưu lượng là tỷ số giữa lưu lượng thực tế<br />
đo ở điều kiện tiêu chuẩn với lưu lượng lý thuyết:<br />
(3)<br />
<br />
k mtt / mlt<br />
<br />
(4)<br />
<br />
mtt V .Ptt / ( R.Ttt )<br />
<br />
(5)<br />
<br />
mlt AsCs<br />
2<br />
<br />
Diện tích piston: A D / 4<br />
Công thức tính mật độ:<br />
<br />
(6)<br />
<br />
1<br />
<br />
s <br />
<br />
P1 P2 k<br />
<br />
R .Ttt P1 <br />
<br />
(7)<br />
<br />
Công thức tính công suất có ích [8] :<br />
<br />
n<br />
N e a .Vh .QH .F . v . c . m .i.<br />
/2<br />
<br />
Vận tốc dòng khí:<br />
Cs <br />
<br />
(1)<br />
Trong đó: a : mật độ không khí nạp<br />
(kg/m3). Vh: thể tích công tác. QH: nhiệt trị thấp<br />
của nhiên liệu (kJ/kgNL). F = mf / ma. v : hiệu<br />
suất nạp.c : hiệu suất của sự cháy nhiên liệu.m<br />
: hiệu suất cơ giới. i: số xi-lanh. n: tốc độ động<br />
cơ. : số kỳ.<br />
Từ phương trình trên, có thể thấy rằng có<br />
nhiều phương pháp tăng công suất động cơ và tăng<br />
hiệu suất nạp là một trong những phương pháp đó.<br />
Hiệu suất nạp động cơ có i xi-lanh trong một<br />
đơn vị thời gian ứng với công suất Ne trong 1 giây:<br />
<br />
<br />
v<br />
<br />
<br />
<br />
G<br />
<br />
c tr<br />
<br />
2<br />
V h . . n .i<br />
<br />
<br />
P1<br />
<br />
- Sự sấy nóng khí nạp bởi bề mặt thành vách<br />
của hệ thống nạp và không gian trong xi-lanh.<br />
Trang 32<br />
<br />
2<br />
<br />
,<br />
<br />
P2 P1 P<br />
<br />
Tăng độ xoáy trong buồng cháy làm đẩy<br />
nhanh quá trình hòa trộn hỗn hợp, giảm bồ hóng<br />
và giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, tăng độ<br />
xoáy cũng làm tăng sự phân bố đều của nhiên<br />
liệu, làm tăng nhiệt độ buồng cháy và lượng khí<br />
thải NOx.<br />
2.2. Quá trình thực hiện<br />
Trong nghiên cứu này, sáu kiểu họng nạp cải<br />
tiến được đề xuất và tiến hành mô phỏng cùng với<br />
phương án họng nạp hiện hữu.<br />
Phương án 1: họng nạp hiện hữu<br />
Phương án 2: tăng độ cong<br />
<br />
Lượng khí mới nạp vào mỗi chu trình có ảnh<br />
hưởng rất lớn đến hiệu suất nạp và được quyết<br />
định bởi nhiều yếu tố khác nhau:<br />
<br />
- Sự tồn động khí sót trong xi-lanh<br />
<br />
101325 N / m<br />
<br />
(8)<br />
<br />
2.1.2.2. Độ xoáy<br />
<br />
(2)<br />
<br />
- Tổn thất khí động học của hệ thống nạp<br />
pa<br />
làm giảm áp suất nạp pa đi một lượng<br />
.<br />
<br />
k 1<br />
<br />
<br />
P k<br />
2k<br />
. R .Ttt . 1 2 <br />
P1 <br />
k 1<br />
<br />
<br />
<br />
Phương án 3: tăng chiều dài<br />
Phương án 4: tăng đường kính<br />
Phương án 5: tăng độ cong,chiều dài, đường<br />
kính<br />
Phương án 6: họng nạp có 2 đường vào (hình<br />
3), góc giữa 2 ống 8 và ống 11 là 60o<br />
Phương án 7: thêm đường cấp khí phụ (hình 4)<br />
<br />
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ quá trình thực hiện nghiên cứu<br />
<br />
Hình 2. Mô hình Boost phương án 1,2,3,4,5<br />
<br />
Hình 3. Mô hình Boost phương án 6<br />
<br />
Trang 33<br />
<br />
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015<br />
<br />
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br />
Với phần mềm AVL BOOST, kết quả về các<br />
đặc tính động cơ được trình bày trong các bảng<br />
và đồ thị. Kết quả định lượng khi tiến hành mô<br />
phỏng động cơ chạy tốc độ từ 1200 v/ph đến 2400<br />
v/ph, tải 100%.<br />
3.1. Đặc tính công suất<br />
<br />
Hình 4. Mô hình Boost phương án 7<br />
<br />
Bảng 2. Thông số đường ống (L: chiều dài, R: độ<br />
cong, D: đường kính, đơn vị mm) ở hình 2, 3, 4<br />
Phương<br />
án<br />
<br />
L<br />
<br />
Ống 3<br />
R<br />
D<br />
<br />
1<br />
<br />
63<br />
<br />
40<br />
<br />
49<br />
<br />
2<br />
<br />
135<br />
<br />
90<br />
<br />
49<br />
<br />
3<br />
<br />
62<br />
<br />
40<br />
<br />
49<br />
<br />
4<br />
<br />
0<br />
63<br />
<br />
40<br />
<br />
60<br />
54<br />
<br />
5<br />
<br />
0<br />
135<br />
<br />
90<br />
<br />
60<br />
54<br />
<br />
6<br />
<br />
94<br />
<br />
L<br />
71<br />
78.5<br />
129<br />
25.5<br />
33<br />
83<br />
81<br />
89<br />
139<br />
71<br />
78.5<br />
129<br />
41<br />
48<br />
98<br />
47<br />
54.5<br />
105<br />
<br />
49<br />
<br />
Ống 8<br />
R<br />
70<br />
32<br />
32<br />
70<br />
32<br />
32<br />
70<br />
32<br />
32<br />
70<br />
32<br />
32<br />
70<br />
32<br />
32<br />
70<br />
32<br />
32<br />
<br />
D<br />
49<br />
44<br />
44<br />
49<br />
44<br />
44<br />
49<br />
44<br />
44<br />
54<br />
49<br />
49<br />
54<br />
49<br />
49<br />
49<br />
44<br />
44<br />
<br />
Đối với phương án 7:<br />
Ống 9<br />
L<br />
30<br />
<br />
R<br />
-<br />
<br />
Ống 10<br />
D<br />
<br />
25<br />
<br />
L<br />
<br />
R<br />
<br />
30<br />
<br />
-<br />
<br />
96<br />
<br />
40<br />
<br />
172<br />
<br />
-<br />
<br />
Ống 11<br />
<br />
D<br />
<br />
L<br />
<br />
R<br />
<br />
D<br />
<br />
25<br />
<br />
50<br />
<br />
32<br />
<br />
25<br />
Hình 5. Kết quả hiệu suất nạp, mô men, công suất<br />
<br />
Trang 34<br />
<br />
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015<br />
<br />
đường áp suất và nhiệt độ lớn hơn các phương án<br />
còn lại, vì vậy có sự tỏa nhiệt tốt hơn.<br />
- Giai đoạn cháy chính: phương án 6 và 7 có<br />
quá trình cháy chính nhanh hơn.<br />
- Giai đoạn cháy rớt: độ dốc gần giống nhau.<br />
Đường tỷ lệ phần trăm lượng nhiên liệu đã<br />
cháy: phương án 6 và 7 tốt hơn các phương án<br />
còn lại do có tổng lượng cháy ít hơn, thời gian<br />
cháy ngắn, tổn thất nhiệt thấp hơn.<br />
<br />
Hình 6. Kết quả suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất<br />
nhiệt<br />
<br />
So với phương án hiện hữu, tại tốc độ 2400<br />
v/ph:<br />
- Phương án 6 tăng hiệu suất nạp<br />
(11,79%), tăng công suất và mô men (18,79%),<br />
giảm suất tiêu hao nhiên liệu (15,83%). Họng nạp<br />
thay đổi công suất rõ rệt, đáp ứng kỳ vọng ban<br />
đầu.<br />
- Phương án 7 tăng hiệu suất nạp (6,03%),<br />
tăng công suất và mô men (10,9%), giảm suất tiêu<br />
hao nhiên liệu (9,83%).<br />
- Các phương án 2,3,4,5 còn lại không<br />
làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất động<br />
cơ.<br />
3.2. Đặc tính sự cháy<br />
Đường tốc độ tỏa nhiệt:<br />
- Giai đoạn cháy trễ: phương án 6 và 7 có<br />
đường tốc độ tỏa nhiệt ngắn hơn.<br />
<br />
Hình 7. Đồ thị đặc tính sự cháy tại 1800 v/ph<br />
<br />
- Giai đoạn cháy tăng áp suất nhanh: phương<br />
án 6 và 7 có đỉnh cao hơn, phần diện tích lớn hơn,<br />
Trang 35<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
